Numerical investigation of operating fluid, rotating disk speed effects and number of cavities on drag reduction of micro-textured surfaces for hydrodynamic lubrication

There have been developments on surface texturing methods providing benefit in a great many engineering applications. Especially, influence on surface texturing in lubrication applications related to frictional properties have been cause of concern. In the present study, it was aimed to work on the computational fluid dynamics (CFD) study of the lubrication system consisting of two parallel plates. While one of the plates was sliding, the other one was stationary and an incompressible two-dimensional single phase flow was assumed between those plates. The scope of the CFD analysis was to determine the relationship between drag force and operating fluid properties (i.e., oil types), rotational speed and the amount of the cavities. It was realized that SAE 0W-30 was found to be the best fluid among the seven studied oil types providing optimal conditions such as high drag reduction and less drag force. It was noticed that the drag coefficient thus, drag force appeared to be increasing as the rotating disk speed rose. The influence of the number of the cavities along the textured surface was also investigated in the present study and it was found that drag reduction was not associated with the number of cavities because 0, 1, 2 and 3 cavities nearly gave the same drag force values.

Hidrodinamik yağlamada kullanılan mikro-doku yüzeyler üzerinde akışkanın, diskin açısal hızının ve boşluk sayısının direnç azalmasına etkilerinin sayısal incelenmesi

Yüzey dokusu yöntemlerinde gelişmeler yaşanırken bu gelişmelerden birçok mühendislik uygulamaları fayda sağlayabilir. Özellikle sürtünme özellikleri ile ilgili yağlama uygulamalarında yüzey dokusu etkisi önemli bir etkiye sahiptir. Bu çalışma kapsamında iki paralel plakadan oluşan yağlama sisteminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmasıyla incelenmesi hedeflenmiştir. Plakalardan birisi hareket ederken, diğer plaka sabittir ve plakalar arasındaki akış, sıkıştırılamaz, iki boyutlu ve tek fazlı olarak kabul edildi. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizinin amacı direnç kuvvetindeki azalmanın, çalışan akışkan özellikleri (yani yağ çeşidi), açısal hız ve boşluk miktarı ile nasıl ilişkili olduğunu belirlemektir. Bu çalışmada SAE 0W-30 tipi yağın, çalışılan yedi yağ arasında en yüksek direnç düşüşü ve daha az direnç kuvveti sağladığı için en uygun koşulları sağlayan akışkan olduğu belirlenmiştir. Direnç katsayısının ve dolayısıyla direnç kuvvetinin açısal hızın artmasıyla arttığı fark edilmiştir. Boşluk sayısının yüzey dokusuna etkisi de bu çalışma kapsamında araştırılmıştır ve dirençteki azalmanın boşluk sayısı ile ilişkili olmadığı bulunmuştur. Bunun nedeni 0, 1, 2 ve 3 boşluk yerleştirildiğinde neredeyse aynı direnç kuvvetleri elde edilmiştir.

PDF

___

D. Hamilton, J. Walowit, and C. Allen, "A theory of lubrication by microirregularities," Journal of Basic Engineering, vol. 88, pp. 177-185, 1966.

J. N. Anno, J. Walowit, and C. Allen, "Microasperity lubrication," Journal of Lubrication Technology, vol. 90, pp. 351- 355, 1968.

V. G. Marian, D. Gabriel, G. Knoll, and S. Filippone, "Theoretical and experimental analysis of a laser textured thrust bearing," Tribology letters, vol. 44, p. 335, 2011.

M. Scaraggi, F. P. Mezzapesa, G. Carbone, A. Ancona, D. Sorgente, and P. M. Lugarà, "Minimize friction of lubricated lasermicrotextured-surfaces by tuning microholes depth," Tribology International, vol. 75, pp. 123-127, 2014.

M. Scaraggi, F. P. Mezzapesa, G. Carbone, A. Ancona, and L. Tricarico, "Friction properties of lubricated lasermicrotextured-surfaces: an experimental study from boundary-to hydrodynamiclubrication," Tribology Letters, vol. 49, pp. 117-125, 2013.

G. Caramia, G. Carbone, and P. De Palma, "Hydrodynamic lubrication of microtextured surfaces: two dimensional CFDanalysis," Tribology International, vol. 88, pp. 162-169, 2015.

S. Kasolang, M. A. Ahmad, R.-D. Joyce, and C. F. M. Tai, "Preliminary study of pressure profile in hydrodynamic lubrication journal bearing," Procedia Engineering, vol. 41, pp. 1743-1749, 2012.

A. Raimondi and J. Boyd, "A solution for the finite journal bearing and its application to analysis and design: II," ASLE Transactions, vol. 1, pp. 175-193, 1958.

F. A. Najar and G. Harmain, "Numerical Investigation of Pressure Profile inHydrodynamic Lubrication Thrust Bearing," International scholarly researc notices, vol. 2014, 2014.

J. J. von Gesseneck, B. Caers, M. Van Overmeire, D. Lefeber, B. Vanderborght, and P. Schuurmans, "A torque-based method for the study of roller bearing degradation under poor lubrication conditions in a lead–bismuth environment," Nuclear Engineering and Design, vol. 305, pp. 121-131, 2016.

L. Zhai, Y. Luo, Z. Wang, and X. Liu, "3D Two-way coupled TEHD analysis on the lubricating characteristics of thrust bearings in pump-turbine units by combining CFD and FEA," Chinese Journal of Mechanical Engineering, vol. 29, pp. 112-123, 2016.

M. Tauviqirrahman, J. Jamari, and A. P. Bayuseno, "A Comparative Study of Finite Journal Bearing in Laminar and Turbulent Regimes Using CFD (Computational Fluid Dynamic)," in MATEC Web of Conferences, 2016.

Available: http://www.viscopedia.com/viscositytables/substances/engine-oil/. [Accessed: 29-May-2016].